FDMA、TDMA與CDMA通訊技術徹底研究


FDMA、TDMA與CDMA這些通訊技術在目前的通訊市場上仍有著很大的影響力,由其在行動電話方面,下面我們先簡單介紹一下這些技術的差異性,接著深入討論其工作原理與控制方法。


何謂FDMA、TDMA、CDMA?

多重接取(Multiple Access)技術,依方式分有FDMA、TDMA、CDMA三種。多重接取的功能主要是作為控制頻寬資源之用,由於行動電話使用的無線電頻寬十分有限,並不像有線網路只要抽換或加舖線路即可增加頻寬,因此頻寬的使用必須隨機調配,也就是用戶要打電話時,系統才指派頻寬給用戶使用,並於通話結束後取回頻寬,以便指派給稍後要打電話的用戶使用。

FDMA的方式是在頻率上直接切割,將全數頻寬切成每個等寬頻帶的通道,每個通道可供一個用戶使用。TDMA(如GSM)則是先切成幾個略小的頻帶(此一動作不是必須的,試系統而定),然後每個頻帶上再切割成時間等長的時槽(Slot),若干個時槽再結合成訊框(Frame),每個訊框的第一號時槽組成TDMA的第一號通道,其餘依此類推,每一通道供一用戶使用,如此不同用戶的訊號便不至於重疊。

一個行動電話系統之容量就像一間會議室的空間,FDMA及TDMA就像是將大會議室分隔成許多小會議室,用戶要用時,就分派給一間小會議室,如此可以給多用戶使用;而CDMA則是不隔間,但不同用戶使用不同的展頻碼(Spreading Code)來調變,接收器可依不同展頻碼來過濾掉其他用戶訊號而取出需要的資訊。

Bellsouth工程處長Keith Radousky指出,CDMA好比在一間房間中,同時有一組人用中
文交談而另一組人用英文交談,彼此會有干擾的產生,即在中文聽者耳中英文只是較大的噪音而已,並不會影響到聽中文的辨識能力,因此可以在同一時間、空間,有多組人用不同語言交談。但當數目多到一定程度時,彼此距離必須拉近才能聽見,此時涵蓋率相對降低,容量亦受限制。

參考資料:TDMA/CDMA行動電話技術的演進
 

FDM(Frequency Division Multiplexing 劃頻多工)與TDM(Time Divison Multiplexing 劃時多工),在FDM中,頻譜被劃分成若干個邏輯頻道,而每個使用者有他專用的頻帶。在TDM中,使用者輪流使用(以輪迴的方式),每個人週期性地在很短時段內取得完整的頻寬。AM無線電廣播是兼具有這兩種多工法的實例,AM無線電所分配的頻譜大約是1MHz,大致是從500KHz到1500KHz,不同的頻率分配給不同的邏輯頻道(電台),每個頻道都只用到頻譜的一部份,頻道與頻道之間都有足夠區隔頻帶以防止干擾,這就是劃頻多工的一個範例。除此之外,在某些國家,各個電台都有兩個邏輯次頻道:音樂與廣告,這兩個邏輯次頻道在同樣的頻率下按時間來交替撥放;先撥放一小段音樂,接著是一小段廣告,接著又是音樂,又接著廣告,依此類推,這種情況就是劃時多工。接著介紹運用FDM與TDM的FDMA跟TDMA。


FDMA (Frequency Division Multiple Access)
 
 

         





圖2-24所示就是利用FDM來將三個音頻級電話頻道加以多工化的情形。濾波器將每個音頻級頻道的可用頻寬都限制在大約3000Hz,當許多頻道被多工整合在一起時,每個頻道都分配到4000Hz頻寬以便讓各個頻道能保持適當的距離。一開始先將語音頻道以不同的頻率加以提昇,然後再將它們組合,這是因為每個頻道各佔頻譜不同的部分。值得注意的一點是,即使頻道與頻道之間都有間隙(保護頻帶),但是相鄰頻道之間難免會有一些頻帶重疊的現象發生,這是因為濾波器的邊緣並非都是陡直的,這個重疊的地方意味著在兩個頻道邊緣的強力突波會讓相鄰頻道感覺出來而認為這是非熱流雜訊(nonthermal noise)。

世界上所使用的FDM方法已經有某種程度的標準化,其中較廣泛採用的標準是將12個4000Hz的聲音頻道(3000Hz供使用者傳送數據,另外兩邊各加上500Hz的保護頻帶)以多工方式在60至108KHz的頻帶上,以這樣的規劃為一個單位,並稱為一個群(group)。至於由12至60的這一段頻帶也許是由另一個群所使用。許多公司便是根據這種群的分配方式,提供48至56Kbps的專線服務給顧客。此外,五個群,即六十個聲音頻道可以再經由多工方式而結合成一個超群(supergroup),下一個單位則稱為主群(mastergroup),他是由五個超群(CCITT標準)或是十個超群(Bell標準)所組成。其他如多達230,000的聲音頻道標準亦曾被提出。

對於一個光纖頻道,仍舊使用類似之劃頻多工,稱作WDM(Wavwlength Division Multiplexing,波長分段多工)。在光纖上達到FDM的方式,如圖2-25所示,兩條光纖集會至一稜鏡(或者說是一繞射柵欄),每條光纖在不同的頻帶有自己的能量,這兩道光束經過該稜鏡或柵欄,組合成一新的光束,並經由單一之共用光纖,將此新的光束傳送至目的地,之後再分成兩道光束。

其實這方法並沒有很創新的想法,只要每個頻道有自己的專屬範圍,並且互不重疊,即可將這些頻道多工在一條長距離光纖上唯一與電流形式之FDM的差異,在於使用繞射柵欄的光纖系統是完全被動的,因此所傳輸資料的正確度相當高。
值得注意的,WDM之所以如此受到歡迎,因為在一條光纖上的能量通常只有數千個兆赫頻寬,在目前的技術,電器與光纖介質之間轉換速度不會高於這個值,光纖頻寬大約是25,000GHz,因此在長距離路徑傳輸上,可將多個頻道多工在一起,唯一的必要條件是,每個頻道均需使用不同的頻率。

WDM技術可應用在如前所述之FTTC系統,原先,電話公司以光纖連接終端局至鄰近接合匣,而接合匣至各個住家以雙絞線連接,多年之後,當光纖價格降低且所需之傳輸頻寬提高時,該雙絞線會被光纖所取代,所有該區域迴路連接上光纖,並且在終端局之間以WDM方式執行。
在圖2-25的範例中,我們是採用固定式波長系統,由光纖1來輸入位元流會被傳送到光纖3,而由光纖2來之位元流傳送到光纖4,由光纖1來的位元流不可能會被傳送至光纖4。然而我們亦可採用一交換式之WDM系統,在此裝置中,有很多條輸入及輸出光纖,由任何一條輸入光纖來的資料,可被傳送至任何一條輸出光纖。基本上,該連接器是一被動式星體,來自任何一條輸入光纖的光會照亮整個星體,雖然亮度會因此而減為原來的1/n(假使有n條輸出光纖),但該系統足夠提供上百個頻道。

當然,假使來自任何一條輸入光纖的光,其波長為1.50206微米,且其均有可能被傳送至任何一條輸出光纖,因此在所有輸出光纖處,均需要一可調濾光器(optical tunable filter),當其中一條輸出光纖被選為輸出時,則該濾光器的波長被設定為1.50206微米。
Fabry-Perot或Mach-Zehnder干擾儀可作為該可調濾光器,另一種方法,是將輸入光纖設計為可調波長,而輸出光纖則設定為固定波長。若將兩者皆設定成可調,則是沒有必要的,而且不值得。
 

TDMA (Time Divison Multiple Access)
 
 

          
 

         





雖然FDM技術仍在銅線頻道或微波頻道上使用,它需要一類比電路,且不是在電腦上所能辦到的,相形之下,TDM技術可完全用數位電子來製作,因此,該技術這幾年來廣泛地被使用,很不幸的,該項技術只能應用在數位資料上,因為區域迴路上所傳遞的是類比訊號,所以在終端局交換機,即所有個別區域迴路與輸出主幹之交會點,必須作類比至數位的轉換,接著我們介紹多少條類比音訊會被數位化,以及如何合併在一條數位形式之輸出主幹(請記得,電腦資料經由數據機送出至終端局之交換機處,其訊號是類比的)。
此一類比訊號在終端局使用加碼解碼器(codecoder-decoder)加以數位化,而產生七位元或八位元之數字(參閱圖2-17)。

加碼解碼器每秒對類比訊號取樣8000次(125微秒/取樣),因為奈奎(Nyquist)定理這麼說道,每秒取樣8000次就足以將頻寬為4KHz之電話頻道頻寬的所有資訊加以還原,較低的取樣速率,部分資料將會遺失,較高的取樣速率,亦不會獲得額外的資訊。這種技術稱做[搏碼調變](PCM : Pulse Code Modulation)。PCM是數據電話系統的核心,因此電話系統的時間區間均取為125微秒的倍數。

當數位傳輸已變成一種可行的技巧時,對於PCM技術,CCITT卻不能就國際標準達成一致的協議。因此,世界上有許多國家目前使用多種互不相容的系統,互不相容國家之間的國際連接需要(通常是非常昂貴的)"黑盒子"來將發訊國家的系統轉換成受訊國家的系統。目前在北美及日本廣泛地被使用的一種方法是T1載波,如圖2-26所示。(以技術層面來說,該規格稱做DSI,而其載波稱做T1,但在此我們不做如此細部分別)。T1載波可將24個語音頻道多工化在一起,通常類比訊號週期性地以輪迴方式加以取樣而形成多工化的類比訊號流以饋入加碼解碼器,而不是24個各別的加碼解碼器再產生個別的數位輸出。24個頻道中,每個頻道輪流讀取8位元至輸出流內,其中有七個位元是資料,其餘的一個位元是控制,因此每個頻道每秒有7*8,000 = 56,000 bps 的資料及1*8,000 = 8,000 bps 的發訊資訊。

每個資訊框架有24*8 = 192個位元,外加一個加框位元,而產生每125微秒有193個位元的資訊框架,因此產生1.544Mbps的總資料速率。第193個位元是做同步之用,其位元式樣為0101010101...。通常,受訊器會不斷地檢查這個位元以確保能同步。如果發生不同步的情況時,受訊器會掃描以尋找這個位元型態以便再求取同步。類比用戶不能產生此一位元型態,因為它相當於4000 KHz的正弦波,而它會被濾掉。數位用戶可以產生此一位元型態,但是當發生資訊框不同步時,就會有不利的情況發生。當該T1系統用來傳輸純資料訊號時,只有前23個頻道是用來傳輸資料,第24個頻道用來作為傳輸特殊的同步型態,以利當資訊框架不同步時,很快地就能恢復同步。

當CCITT最後終於達成一致的協議,他們覺得8000bps的發訊資訊是太多,所以他們的1.544Mbps標準是根據八位元而不是七位元的資料項來制定的,亦即,類比訊號是以256種分開的準位而不是128種分開的準位來加以量化。他們提供兩種(不相容的)變形方式:在公共頻道發訊(common-channel signaling),在奇數框架中,多出的額外位元(他們是加在193位元之資料框架的後面而不是前面)取值為10101010...,而在偶數框架中所多出額外位元就包含著所有頻道的發訊資訊。

另外一種叫做頻道附屬發訊(channel associated signaling)的變形方式,每個通道有它自己專用的發訊子頻道。專用子頻道是從每6個資料框中,撥出8個使用者位元中的一個位元作為資訊之用,因此六個取樣中有五個取樣是8位元的寬度,而其餘的一個取樣是七位元的寬度。CCITT也有建議使用2.084 Mbps之PCM載波的建議書,稱作E1。此一載波是將32個8位元之資料取樣包裝成基本的125微秒資訊框架。32個頻道中的30個頻道是做資訊之用,其餘兩個頻道則作發訊之用,每四個資料框架為一群可提供64個發訊位元,其中一半是做頻道附屬發訊之用,另一半則作為同步之用或保留給各個國家試需要而定。北美和日本以外的國家,大都使用2.048 Mbps載波。

一旦語音訊號被數位化之後,就可嘗試用統計技巧來減少每個頻道所需的位元個數。這技巧不僅適用於語音的編碼,也適用於任何類比資料的編碼。所有的壓縮做法都是依據訊號的變化比起取樣頻率來得慢的的原則所發展出來的,因此就七位元或八位元之數位準位而言,許多資訊是相當多餘的。

有一種叫做差動搏碼調變(differential pulse code modulation)的方法是輸出的值為現值與前一個值的差而不是數位化的波幅。由於在128個準位的編碼系統,先後兩個值的跳動差距不太可能超過正負十六或更多,因此只需要5個位元就夠了,而不需要用到7個位元。如果訊號偶而有異常大的波動,則編碼邏輯需要好幾個取樣才能反映出這種變化,對語音而言,它所導致的誤差可忽略不記。

此一壓縮法的另一種大同小異做法是要求每個被取樣的值都必須與它的前一個值差+1或-1,因此只需要傳輸單一一個位元來告知信的取樣使比前一個取樣高或低。這種技巧稱為三角差動調變(delta modulation),如圖2-27所示。

如同所有的壓縮技巧一樣,都是假定相鄰取樣的準位變化相當和緩。如果訊號的變化太快,則三角差動編碼法就會有麻煩,如圖所示,當這種現象發生,資訊將會遺失。

有種差動的PCM改進作法是根據前幾個值來預測下一個值,然後將實際訊號值與預測值之間的差將以編碼。當然發訊器和受訊器必須使用同一種預測方法。這種方法叫做預測編碼(predictive encoding)。因為這種做法可以減少編碼所需的位元數,也就是可以減少傳送的位元數,所以這種做法很管用。

雖然PCM被廣泛使用於局間幹線,但是電腦使用戶卻受益不多,如果他必須以28.8kbps速率將調變後之類比正弦波式的資料傳送給他的終端局。如果電信公司可以將區域迴路直接接到PCM幹線系統上就相當理想,如此一來,電腦能夠以1.544或2.048 Mbps的速率將數位資料直接輸出到區域迴路上,很不幸地,以這樣的速率,區域迴路的長度將不能很長。

劃時多工法允許將多個T1載波多工化成一更高層次的載波,圖2-28顯示這種方法。在圖左側,4個T1頻道被多工化成一個T2頻道,T2(含以上)的多工化是以位元緊接位元方式完成。4個T1(每個1.544 Mbps)之傳遞速率將會是6.176 Mbps,但真正T2的傳輸速率有6.312 Mbps,其他多餘的位元適用來作加框及當框架不同步時,再取同步之用。接著,6個T2之資料流將以位元緊接位元方式構成一T3資料流。七個T3資料流混合成一T4資料流,在每個步驟中,些微之額外位元是用來作加框及再同步之用。

如同在美國或其他國家,對基本載波很少有一致的協議一樣,對於如何將基本載波多工化成較高頻寬的載波同樣也很少有一致的協議,在美國,原先是想以如2-28,4T1,6T2,及7T3之多工化方式,但並沒得到每個人的認同。後來CCITT的標準是在每個步驟的多工裡,均採用四個輸入資料流。同樣在各個國家,用來作加框及資料回復功能的方式也有所不同,在CCITT體系裡,32,128,512,2048及8192個頻道其傳輸速率分別為2.048,8.848,34.304,139.264,及565.148 Mbps。
 
 

劃碼多路進接是一種展頻(Spread Spectrum)技術的應用,大致可分為兩大類。其中直接序列(Direct Sequence)是將所有用戶訊號利用特定編碼擴展在同一個寬頻範圍內;而頻率跳躍(Frequency Hopping)則是用戶傳送之訊號於固定時間在許多頻段間以特定方式跳躍。

劃碼多路進接技術由於具有極佳之保密性及抗干擾性,因此西元1960年代便被使用在軍事用途上,近年來更被研究應用在細胞式行動通信系統上,可以提高其用戶容量。

優點


CDMA (Code Division Multiple Access )
 
 


                                                                                 CDMA 操作示意圖

GSM對頻道分配來說,可以描述為一種非常手段。它使用現成各種技術(ALOHA,TDM,FDM)混合成一種複雜的方法,其中之一便是CDMA(編碼劃分多存取),它和前面所討論的分配技術完全不同,這些技術中,有些是將頻道分割成頻率的頻帶,然後以靜態方式指定(FDM),或是依據需求方式指定(波長劃分多工),且擁有者可無限制使用頻道,其他則以突發量來分配頻道,並以靜態方式給予工作站整個頻道(含有固定時槽的TDM)或以動態方式(ALOHA)。CDMA則允許任何工作站在任何時間,可在整個頻譜上傳輸。多個同時間傳輸可藉由編碼理論來區隔,CDMA同時也不假設碰撞的框架全然會受干擾。相反的,它假設多個訊號可以線性方式加在一起。

在進入演算法之前,先讓我們看看雞尾酒會頻道存取的理論。在一個大房間內,有許多人正在交談,TDM的方式就是所有的人集中在房子中間,但是大家輪流交談,也就是先和某人說完後,再和另一人交談;FDM則是將人群分成好幾團,每一團同時之間都有自己的對話,但團與團之間是獨立開來的。CDMA則是讓大家集中在一起聊天,但每一對所說的語言都不同,說法語的這一對只認定法語,並將其他聲音視為雜訊。因此CDMA主要重點在於能夠萃取出自己想要的訊號,並將任何其他東西視為隨機雜訊。

CDMA將每個位元時間再切割為m個短區間稱為薄片(chips)。典型每個位元分成64或128個薄片,但在下面的例子,為了簡化,我們使用8薄片/位元。每個工作站指定一個唯一的m-位元碼或薄片順序(chip sequence)。要傳輸位元1,則工作站送出自己的薄片順序。要傳輸位元0,則工作站送出自己薄片順序的「一的補數」。其他型態則不被允許。因此,若m = 8,且工作站A的薄片順序為00011011,則送出00011011當送出位元1,而位元0則送出11100100。

要將傳送的資訊量由b位元/秒增加至mb薄片/秒,只有在可用頻寬增加為m倍時才可行。這使得CDMA成為一種擴散頻譜的通訊形式(假設調頻或編碼技術不改變)。假設有一1MHz頻帶可供100個工作站使用,如果使用FDM,則每個可擁有10KHz且傳送速率為10KBps(假設每Hz為1位元)。使用CDMA,則每個工作站可使用全部1MHz,因此薄片速率為每秒1 mega薄片。如果每個位元少於100個薄片,則對CDMA來說,每個工作站有效頻寬會比FDM還要高,同時頻道分配的問題也可以獲得解決。

為了教育的目的,使用兩極表示法會比較方便,其中二進位的0以-1表示,二進位的1則以+1表示,並將薄片順序顯示在括號內。因此工作站位元1現在變成(-1-1-1+1+1-1+1+1),圖4-16(a)的範例顯示四個工作站所指定的二元薄片順序。圖4-16(b)則顯示我們的兩極表示法。

每個工作站都有唯一的薄片順序。設符號S代表工作站S的m-薄片向量,且-S代表其負數,所有薄片順序中,任何一對都是垂直的(orthogonal)
,表示任兩個不同的薄片順序的常態內積,S and T(寫作S?T)為0。以數學表示式

說的白話些,每一對中,每個對應順序都是不同的。這種垂直的特性,稍後還會再詳細證明,請注意S•T = 0 則-S•T也是0。任何薄片順序自
己的常態內積為1:

這是因為每一項的內積皆為1,因此總和為m。同時也請注意S?-S = -1。

在每個位元時間內,工作站可送出自己的薄片順序代表傳輸1,或是送出反向薄片順序代表傳輸0,或者肅靜表示不傳送任何東西。此時我們假設所有工作站在時間上都是同步的,因此所有薄片順序都會以同樣的時間開始傳送。

當有兩個或多個工作站開始傳輸,他們彼此的兩極訊號會以線性方式相加,例如在某個薄片期間,共有三個工作站輸出+1,一個工作站輸出-1,則結果為+2。我們可以想像這種行為像是電壓相加:三個工作站輸出+1伏特,一個工作站輸出-1伏特,結果為兩伏特。

圖4-16(c)中共有六個例子,其中各有一或多個工作站同時傳輸,在第一個例子中,C只傳輸一個位元,所以只得到C的薄片順序。在第二個例子中,B和C傳輸位元1,因此得到兩者兩極薄片順序的總和:(-1-1+1-1+1+1+1-1) + (-1+1-1+1+1+1-1-1) = (-2 0 0 0 +2 +2 0 -2)
在第三個例子中,工作站A送出一個位元1而工作站B送出位元0,其他則保持肅靜。在第四個例子中,工作站A和C送出一個位元1而工作站B送出位元0。在第五個例子中,所有四個工作站則送出位元1。最後的例子中,A,B和D送出位元1,C送出位元0。請注意在圖4-16(c)的六個順序S1到S6,每一個只代表一個位元時間。

要復原每個工作站的位元流,接收端必須事先知道發送工作站的薄片順序,復原的計算是將接收到的薄片順序(所有傳輸工作站的線性總和)與
想要復原之工作站的薄片順序,兩者作一個常態內積,如果接收到的薄片順序為S,而接收端所想要監聽的工作站,其薄片順序為C,接收端只需計算常態內積S•C。

要了解為什麼可行,想像兩個工作站A,C同時傳輸位元1,而B傳送位元0。接收端看到總和:S = A + -B + C 然後計算
S•C = (A + -B + C)•C = A•C + -B•C + C•C = 0 + 0 + 1 = 1
前兩項會消掉,這是因為每一對薄片順序都是垂直的。

考慮另一種情況,想像三個薄片順序接踵而來,而不是相加。接收端會各別計算每個的內積,然後將結果加起來,由於垂直的特性,除了C•C外,所有的內積都會是0。先相加再做內積其實和先內積再相加是一樣的。

為了讓解碼程序更清楚,讓我們在考慮圖4-16(d)的六個例子,假設接收端從六個總和,S1到S6中,只對從工作站C送出來的位元感興趣,將每
一對接收到的S與圖4-16(b)的向量C相乘,然後加總來計算每個位元。然後取1/8的結果(此處m = 8),如所示,每次正確的位元被解碼出來,這
就好像是在說法語一般。

在理想無雜訊的CDMA系統中,容量(也就是工作站的數目)可以任意的大,如同無雜訊Nyquist頻道的容量,藉由每次採樣更多的位元,就可以設成任意大小。事實上,實際的限制會大大降低容量。因已假設所有薄片在時序上都是同步的,真實世界中,這是無法達到的。唯一方法是讓傳送端送出足夠長的已知薄片順序,讓接收端鎖定,達到同步化的目的。其他所有非同步傳輸,則被視為隨機雜訊。如果非同步傳輸不是太多,則基本的解碼演算法仍然可行。現已存有許多的理論,討論有關薄片順序重疊與雜訊程度之間的關係。如所預期的,薄片順序越長,在雜訊的環境中,偵測出正確性的機率越高,如果需要額外的安全性,則可在位元順序內增加錯誤修正碼,但在薄片順序內從不使用錯誤修正碼。

以上的討論隱含著一個假設,接收端監測到所有工作站的功率都是相同的。CDMA主要用於無線系統中,含有一個固定的基地台,以及許多的行動工作站,距離基地台的距離都不一樣。基地台所接受功率的大小需視傳輸器遠近而定。一種比較好的想法是,每個行動工作站傳送基地台的功率,應與從基地台接收的功率相反,因此當行動工作站從基地台接收微弱的訊號,則應該比在接收較強訊號時,發送更強的功率。基地台也可以送出命令至行動工作站要求增加或減少傳輸功率。

我們也假設接收端都知道傳送端是誰,基本上,只要計算能力夠,可以為所有傳送端平行計算解碼演算法,如此接收端就能監聽所有的傳送端。但實際生活中,說的都比做的容易。CDMA同樣還有許多複雜的因素,但在這邊介紹中,都是一語帶過。雖然如此,CDMA還是一個非常巧妙的方法,並迅速的引進無線行動通訊上。
 

FDMA、TDMA與CDMA之優缺比較
 

FDMA

劃頻多工是最舊但仍廣泛使用的頻道分配計劃,典型的36-Mbps答詢區可靜態區分為50個64000-bps PCM頻道,每個都以唯一的頻道運作,以避免和其他的干擾。雖然簡單,但FDM仍有一些缺點,首先在頻道中間必須有看守頻帶(guard band),以便將工作站區隔,這種需求的存在是因為傳輸器在主頻帶輸出能量時,也會影響到副頻帶,而浪費在看守頻帶的頻寬佔總頻寬很大一部份。

另外,工作站的效率必須仔細的控制,如果工作站在主頻道放出太多的功率,同樣也會放出許多功率在副頻帶上,並且擴散到相鄰的頻道上,進而發生干擾現象。最後,FDM是一個完整的類比技術它不是很容易使用軟體製造出來。如果工作站的數目少且固定,則頻率頻道可事先以靜態方式分配,但如果工作站的數目或每個的負載變動非常快,則需要動態分配的方式。這類機制其中的一種就是SPADE系統,它用在早期Intelsat衛星,每個SPADE答詢機可分成794個單工(64-kbps)PCM語音頻道,以及一個128 kbps共用頻道。PCM必須成對使用以提供雙工服務,整個答詢機的頻寬,往上鏈結部分為50 Mbps,另一個50 Mbps則為往下鏈結。

共用訊號頻道切割成每50 msec為單位,每個單位包含50個時槽,每個時槽1 msec (128位元)。每個時槽只能被少於50個地面工作站中的一個所
擁有,當地面工作站有資料要傳送,它會隨意找尋一個未被共用到的頻道,並在下一個128位元時槽內寫下頻道的號碼。如果此要求送至往下鏈結時,選擇的頻道仍未使用,則認定此頻道已被分配,其他工作站必須避免使用。如果有兩個或多個工作站想要在相同的框架內分配相同的頻道,則會發生碰撞,必須稍後在做嘗試。當工作站完成頻道的使用後,會在屬於自己的時槽內松出一個解除分配的訊息。

TDMA

如同FDM,TDM也已為大家所熟知且廣泛使用,它需要每個時槽做時間同步化,但同步化的工作可由某個參考工作站提供,類似時槽式的ALOHA。相似於FDM,對數目少且不會變動的工作站,時槽可以事先指定好,之後就不再改變,但對有變動數目的工作站,或是固定數目的工作站,其負載卻隨著時間而變動,則時槽必須以動態方式指定。時槽的指定可為集中式或非集中式的方法,以集中式為例子來看,考慮實驗性ACTS(Advanced Communication Technology Satellite),它的設計是為了數打的工作站(palmer and white,1990)。ACTS在1992年發射,並且有四個獨立的110 - Mbps TDM頻道,兩個為往上鏈結,兩個為往下鏈結。每個頻道被規劃為一序列的1 msec框架,每個框架包含1728個時槽,每個時槽都有一個64位元的資料,並允許每一個持有64 Kbps的語音頻道。

光束可從某個地理區轉換至一個地理區,但移動光束可能花掉好幾個時槽的時間,因此同樣地理區頻道的起始與結束,通常都會指定給連續的時槽,以便增加居住時間,並將光速移動所損失的時間降到最小。時槽的管理需要對工作站地理位置的全盤了解,以便將浪費掉時槽的數目降到最低。基於這個以及其他的理由,時槽的管理是由地面其中一個工作站所擔任,稱為MCS(Master Control Station)。

ACTS基本的運算為連續三個步驟的程序,每個步驟使用1 msec,在步驟一中,衛星接收一個框架並把它儲存至含有1728通路的RAM內。在步驟二中,電腦會將輸入通路拷貝至相對應的輸出通路內(有可能是其他的天線),在步驟三中,輸出框架透過往下鏈結傳輸出去。

在剛開始時,每個工作站會被指定至少一個時槽,為了獲取額外的頻道(給語音呼叫),工作站會送出一個短的訊息給MCS,同樣它也可以送給MCS一個訊息來釋放一個現存的頻道。這些訊息會花費些許的位元,並對MCS提供一個特殊的控制頻道,其容量約為每個工作站每秒13個訊息。這些頻道是專屬的,它們之間並沒有任何競爭出現。動態TDM時槽分配是可行的,以下將討論三種計劃,每種計劃當中,TDM框架被切割成時槽,每個時槽都有一個暫時的擁有者,只有擁有者才能使用時槽。

第一種計劃假設時槽的數目比工作站還多,因此每個工作站可指定一個專屬時槽(Binder , 1975 ),如果時槽的數目比工作站多,額外的時槽不會指定給任何人,如果時槽的擁有者在目前的群組內並不需要時槽,則時槽會閒置。空時槽是通知其他人時槽的擁有者目前沒有任何交通,在下一個框架中,時槽可提供給任何想要的人,也就是在競爭的ALOHA基礎下。假如擁有者想要取回自己的時槽,它會傳送一個時槽,強迫產生碰撞(假如有其他的交通),在碰撞後,除了時槽擁有者外,其他的人在下一個框架必須打消使用此一時槽的念頭,因此在最糟的狀況下,時槽的擁有者只需兩個框架的時間內就可以傳輸。在低負載時,系統執行的效率不會像時槽式ALOHA一樣好,因為每經過一次碰撞,相碰撞的工作站都必須放棄一組框架的時間,以便了解擁有者是否想要回時槽,圖4-51(a)顯示一個框架有八個時槽,其中七個分別為G,A,F,E,B,C和D所擁有,第八個時槽不屬於任何人,因此大家可以競爭。
 


 

第二種計畫可應用在工作站數目未知且一直變動〈Crowther et al.〉。在此方法中,不同於Binder的方法,每個時槽都有固定的擁有者。相反的,工作站使用時槽式ALOHA競爭時槽。一但傳輸成功,也代表其擁有下一組同一時槽的使用權。因此只要工作站有資料要傳送,它便可以限制傳送下去。這個方法刺混和時槽式ALOHA和TDM,並根據需要才給予想要的時槽數目。圖  4-51〈B〉同樣也顯示一個框架內含有八個時槽。起始時,E使用最後一個時槽,並在兩個框架後,不再需要。此閒置一個框架時間,然後D又把它撿起來,直到D完成為止。

第三種計畫〈由Roberts 〈1973〉提出〉需要工作站在傳輸前先做請求。每個框架包含一個特別的時槽﹝圖4-51〈c〉最後一個時槽﹞被切割成V個子時槽,作為預約之用。當工作站想要傳送資料,它會在一個隨機選取的預約時槽內廣播一個短的要求框架,如果預約成功〈也就是沒有碰撞〉,會連帶也預約成功下一〈或多〉個時槽。在任何時候每個人必須保持追蹤佇列的長度〈預約時槽的數目〉,所以每當工作站成功預約後,它便知道在傳輸前要跳過幾個資料時槽。工作站並不需要知道誰也在排隊;它們只要知道自己的佇列長度就好。當佇列長度降為零,所有的時槽都恢復為預約子時槽,以便加速預約的過程。

雖然TDM已被廣泛使用,但不論有無預約計劃,都有些缺點。首先它需要所有的工作站對時間同步化,這對在實際上並不是一件小事,因為衛星很容易在軌道內漂流,因而改變了對地面工作站的傳遞時間。它也需要每個地面工作站能夠有極端高的突發速度,例如ACTS工作站可能只有64 kbps的頻道,但它必須能夠在578 nsec時槽內送出64位元的突發量,換句話說,它的實際運作速度必須在110 Mbps,相反的,一個64 kbps的FDM工作站運作的速度為64kbps。

CDMA

CDMA可避免時序同步化的問題以及頻道分配的問題,它為完全非集中式以及完全動態方式,但它也有三種主要缺點,第一,CDMA頻道的容量可因雜訊以及工作站之間無任何協調而使得容量比TDM還低,第二,使用128薄片/位元(一個常用的數值),雖然位元傳輸率不是很高,但薄片傳輸率卻很高,這意味需要一個快的(昂貴的)傳輸器,第三,很少有工程師真的了解CDMA,因此沒辦法增加它們使用它的機會。但CDMA已在軍中使用數十年了,同時也慢慢普及於商業應用上。
 
 

參考資料:各種通訊分配方法系統整理


CDMA、FDMA跟TDMA是近來手機跟通訊系統常用的方法,而這邊所介紹的其實資訊仍非常有限,事實上,常常很多時候,原理跟現實的差距很大,而也正是我們需要去克服的。由於近來行動電話流行,相信再過不久,便會有更新更好的技術及相關產品被研發出來。所以下面附上一些相關的網站,想知道更新的消息,可以試著去上面找找看,相信會有一番收穫的。


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